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• Jonathan Campos

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ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DE CHIMBORAZO FACULTAD DE ADMINISTRACIÓN DE EMPRESAS ESCUELA DE INGENIERIA EN GESTIÓN DE TRANSPORTE

FÍSICA I PROYECTO FINAL

TEMA: BOBINA DE TESLA

INTEGRANTES: GRACE LUCERO MARIELA CAMPOS ABEL MORALES ANDY JARA CHRISTIAN VERDEZOTO JHIMMY PÉREZ

NIVEL: TERCERO “2”

RIOBAMBA, JULIO DE 2017

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CONTENIDO INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ 4 1.

2.

BOBINA DE TESLA ............................................................................................................ 6 1.1.

Reseña histórica............................................................................................................. 6

1.2.

Qué es una bobina de tesla ............................................................................................ 7

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO ................................................................................ 9 2.1.

Transmisión ................................................................................................................... 9 Diseño del equipo ........................................................................................................ 10

2.2. 3.

4.

5.

Principio de funcionamiento ....................................................................................... 10

ELEMENTOS Y FUNCIONAMIENTO DE LA BOBINA DE TESLA............................ 16 3.1.

Transformador de alta tensión ..................................................................................... 17

3.2.

RFC O Bobina de choke.............................................................................................. 18

3.3.

Condensador ................................................................................................................ 19

3.4.

Bobina Primaria........................................................................................................... 20

3.5.

Bobina Secundaria....................................................................................................... 21

3.6.

Terminal Superior ....................................................................................................... 22

3.7.

Explosor ...................................................................................................................... 23

APLICACIONES. ............................................................................................................... 25 4.1.

TRANSMISIÓN INALÁMBRICA DE ENERGÍA ELÉCTRICA. ............................ 25

4.2.

RECARGA INALÁMBRICA DE AUTOMÓVILES ELÉCTRICOS. ...................... 26

4.3.

FOTOGRAFÍA KIRLIAN .......................................................................................... 27

4.4.

REPRODUCTOR DE SONORO DE MÚSICA Y SEÑALES DE AUDIO ............... 28

CONCLUSIÓN ................................................................................................................... 30

Bibliografía ................................................................................................................................. 31

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INTRODUCCIÓN En este proyecto nos ayudamos del científico Nikola Tesla, un brillante ingeniero que vivió en la segunda mitad del siglo pasado y a principios de éste y que en 1891, desarrolló un equipo generador de alta frecuencia y alta tensión con el cual pensaba transmitir la energía eléctrica sin necesidad de conductores. Tesla es el inventor de la corriente trifásica y de los motores de inducción, que mueven en el presente todas nuestras industrias. En 1891 patentó lo que un día podría convertirse en su más famosa invención: la base para la transmisión inalámbrica de corriente eléctrica, conocido como la Bobina Transformadora Tesla. Entre sus logros figuran la invención de la radio, el motor de corriente alterna, luchaba por la investigación de un estándar eléctrico, la lámpara de pastilla de carbono (luz de alta frecuencia), el microscopio electrónico, un avión despegue y aterrizaje vertical, la resonancia, el radar, el submarino eléctrico, Bobina de Tesla, Rayo de la muerte, control remoto, Rayos X, métodos y herramientas para el control climático, transmisión de video e imágenes por métodos inalámbricos, transferencia inalámbrica de energía, sistemas de propulsión de medios electromagnéticos. En el siguiente trabajo se observará todo lo relacionado sobre La Bobina Tesla. Se explicará cómo funcionan los diferentes elementos eléctricos en la bobina de tesla, se percibirá diferentes diseños de la bobina de tesla, principios básicos y función de cada uno de los elementos que la componen como lo son el transformador de alta tensión, la bobina de Choque, el condensador o capacitador, explosor, bobina primaria y bobina secundaria.

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CONTENIDO

1. BOBINA DE TESLA 1.1. Reseña histórica. Tesla es el inventor de la corriente trifásica y de los motores de inducción, que mueven en el presente todas nuestras industrias. En 1891 patentó lo que un día podría convertirse en su más famosa invención la base para la transmisión inalámbrica de corriente eléctrica, conocido como la Bobina Transformadora Tesla. Entre sus logros figuran la invención de la radio, el motor de corriente alterna, luchaba por la investigación de un estándar eléctrico, la lámpara de pastilla de carbono (luz de alta frecuencia), el microscopio electrónico, un avión despegue y aterrizaje vertical, la resonancia, el radar, el submarino eléctrico, Bobina de Tesla, Rayo de la muerte, control remoto, Rayos X, métodos y herramientas para el control climático, transmisión de video e imágenes por métodos inalámbricos, transferencia inalámbrica de energía, sistemas de propulsión de medios electromagnéticos.

1.2. Qué es una bobina de tesla Una bobina de Tesla es un tipo de transformador resonante, la patenta a la edad de 35 años. Las bobinas de Tesla están compuestas por una serie de circuitos eléctricos resonantes acoplados. En realidad, Nikola Tesla experimentó con una gran variedad de bobinas y configuraciones, así que es difícil describir un modo específico de construcción que satisfaga a aquellos que hablan sobre bobinas de Tesla. Las primeras bobinas y las bobinas posteriores varían en configuraciones y montajes. Generalmente las bobinas de Tesla crean descargas eléctricas de alcances del orden de metros, lo que las hace muy espectaculares. Las bobinas de Tesla modernas están diseñadas usualmente para generar largas chispas, los sistemas originales de Tesla fueron diseñados para la comunicación sin hilos, de tal manera que él usaba superficies con gran radio de curvatura para prevenir las descargas de corona y las pérdidas por streamers.

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Esquema típico de una bobina de tesla Este circuito de ejemplo está diseñado para ser alimentado con corrientes alternas. Aquí el spark gap corta la alta frecuencia a través del primer transformador. Una inductancia, no mostrada aquí, protege el transformador ILUSTRACIÓN 1 ESQUEMA DE LA BOBINA

2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO 2.1. Transmisión Una bobina Tesla grande de diseño actual puede operar con niveles de potencia con picos muy altos, hasta muchos mega voltios (un millón de voltios). Debe por tanto ser ajustada y operada cuidadosamente, no sólo por eficiencia y economía, sino también por seguridad. Si, debido a un ajuste inapropiado, el punto de máximo voltaje ocurre por debajo de la terminal, a lo largo de la bobina secundaria, una chispa de descarga puede dañar o destruir el cable de la bobina, sus soportes o incluso objetos cercanos.

2.2. Principio de funcionamiento La forma en que operan los transformadores de Tesla es la siguiente: Conectado el transformador de alto voltaje a la línea eléctrica se establece una corriente a través del circuito transformador – condensador – bobina primaria. A las frecuencias de operación del transformador la bobina primaria tiene una reactancia inductiva prácticamente nula y no influye en la magnitud de la corriente establecida, la cual resulta ser solo función de la impedancia interna del transformador y la reactancia capacitiva del condensador.

Esta corriente carga el condensador de alto voltaje, elevando la diferencia de potencial 5

entre sus placas y almacenando más y más energía en este. Por leyes de Kirchhoff es inmediato el hecho de que el voltaje establecido entre los electrodos del explosor es igual al voltaje entre las placas del condensador. Por lo tanto, cuando el condensador se carga a un voltaje lo suficientemente alto como para que la rigidez dieléctrica del aire entre los electrodos del explosor sea superada, el campo eléctrico entre estos arranca electrones de las moléculas de aquel y se establece un arco eléctrico de baja impedancia que actúa como un puente que cierra el circuito condensador – bobina primaria… y entonces se originan los pulsos de alta frecuencia. Débilmente acoplados por el aire. El coeficiente de acoplamiento entre las bobinas L1 y L2 suele estar entre 0, 1 y 0, 2.

3. ELEMENTOS Y FUNCIONAMIENTO DE LA BOBINA DE TESLA En este apartado se realizara una descripción detallada de las características que deben tener los diferentes elementos constituyentes de una bobina Tesla.

3.1. Transformador de Alta tensión El Transformador de Alto Voltaje es la fuente principal de energía en una bobina de Tesla convencional. Eleva el voltaje convencional de 110V hasta valores de miles de voltios; generalmente se utilizan voltajes dentro del rango de 1000 hasta 20 kV en el circuito primario de la bobina. Transformador Se denomina transformador a un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna sin afectar el factor de potencia y manteniendo la potencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal (esto es, sin pérdidas), es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño y tamaño, entre otros factores. El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, basándose en el fenómeno de la inducción electromagnética. Está constituido por dos bobinas de material conductor, 6

devanadas sobre un núcleo cerrado de material ferromagnético, pero aisladas entre sí eléctricamente. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo.

3.2. RFC O Bobina de choke Su función en el proyecto es una solenoide que protegerá el transformador de las altas frecuencias producidas por el explosor en corriente alterna en este caso a altas frecuencias daña el transformador y por la capacitancia parasita producida por las descargas del condensador. Una bobina de choke se usa, bien para impedir el paso de una parte de un circuito a otra de la corriente alterna, al mismo tiempo que se deja pasar la corriente continua, o bien para impedir el paso de corriente en modo común, mientras deja pasar la corriente en modo diferencial. Son muy útiles en los televisores, así como en muchos otros aparatos, actuando como filtros.

3.3. Condensador Es un componente eléctrico destinado a almacenar energía eléctrica en una superficie muy pequeña. En una bobina de tesla sirve para accionar el explosor y para tener una reactancia determinada. Esta reactancia capacitiva ha de ser igual a la reactancia inductiva de la bobina primaria a la frecuencia resonante (la que crea el explosor)

3.4. Bobina Primaria La bobina primaria es un arrollamiento de conductor de baja inductancia y gran conductividad eléctrica. Por lo general estas bobinas constan de 15 o menos espiras de conductor, usualmente tubo de cobre arrollado en formas diferentes según se necesite. No se utiliza un conductor macizo ya que sería muy caro y no merece la pena ya que por el efecto pelicular la corriente circularía solo por la superficie del conductor.

3.5. Bobina Secundaria La bobina secundaria junto con la primaria son la parte transformadora del Transformador de Tesla. Es en este gran solenoide donde se generan los altos voltajes que producen esas espectaculares descargas al aire, que son el principal objetivo de 7

este proyecto.

3.6. Terminal Superior.

El terminal es el punto de emisión eléctrica de una bobina de Tesla. Generalmente es un toroide o una esfera de aluminio, pero también puede ser un disco o una simple punta. Como todo conductor tiene una capacitancia. La importancia del terminal radica en que es un lugar de almacenaje de energía para la alimentación de las descargas al aire. La elección del terminal es una tarea crucial para obtener las mayores descargas a una potencia dada.

3.7. Explosor

Spark-gap (explosor) o chispero son dos electrodos separados por aire. Normalmente se usan en media y Alta tensión de manera que en el aire actúa como una resistencia. Cuando hay suficiente diferencia de potencial entre los electrodos, la electricidad salta.

TÉRMINOS FÍSICOS UTILIZADOS

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Frecuencia Un método alternativo para calcular la frecuencia es medir el tiempo entre dos repeticiones (periodo) y luego calcular la frecuencia (f) recíproca de esta manera:

Ecuacion No 3 Donde T es el periodo de la señal. Velocidad Angular La velocidad angular es una medida de la velocidad de rotación. Se define como el ángulo girado por una unidad de tiempo y se designa mediante la letra griega ω. Su unidad en el Sistema Internacional es el radián por segundo (rad/s).

En un movimiento circular uniforme, dado que una revolución completa representa 2π radianes, tenemos:

donde T es el período (tiempo en dar una vuelta completa) y f es la frecuencia (número de revoluciones o vueltas por unidad de tiempo).

4. APLICACIONES. 9

4.1. TRANSMISIÓN INALÁMBRICA DE ENERGÍA ELÉCTRICA. La transmisión de energía inalámbrica es un término colectivo que se refiere a un diferente número de tecnologías de transmisión de energía por medio de campos electromagnéticos de tiempovariable.1 5 8 Las tecnologías, listadas en la tabla inferior, difieren de la distancia en que pueden transmitir la energía de manera eficiente, si el emisor debe ser dirigido al receptor, y el tipo de energía electromagnética que utilizan: tiempo variable campos eléctricos, campos magnéticos, ondas de radio, microondas o infrarrojo o luz visible. En general, un sistema de energía inalámbrica consiste en un dispositivo "emisor" conectado a una fuente de energía tal como una línea de electricidad doméstica, la cual convierte la energía a un campo electromagnético de tiempo-variable, y uno o más dispositivos "receptores", los cual reciben la energía y la convierten en corriente directa o alterna la cual es consumida por una carga eléctrica.1 8 En el transmisor, la energía de entrada es convertida a un campo electromagnético oscilante por alguna clase de dispositivo de antena. RECARGA INALÁMBRICA DE AUTOMÓVILES ELÉCTRICOS.

La carga inalámbrica de vehículos eléctricos (en inglés, Wireless Electric Vehicle Charging - WEVC),6 cuenta con dos tipos principales de sistemas: Sistemas estáticos o estacionarios: se utilizaría mientras el vehículo está estacionado, tanto en casa, como en la vía pública. Actualmente compañías como Toyota en colaboración con una empresa llamada Witricity pretenden implementar este tipo de sistemas de carga a vehículos eléctricos no sólo en el hogar, sino también en vías públicas. Por otro lado, Bosch ha llegado a un acuerdo con Evatran7 para ofercer un sistema, denominado Plugless L2,que es compatible con los dos modelos más populares en estos momentos, tanto Chevrolet Volt como Nissan Leaf,8 además de en Rolls Royce Phantom 102EX y Citröen C1.El sistema carga el vehículo eléctrico tan rápido como una estación enchufable Nivel 2 (240V) – aproximadamente 8 horas para el Nissan LEAF y 3 para el Chevrolet Volt.9 Sistemas dinámicos: tienen por objetivo de cargar un vehículo mientras éste está en movimiento, como sucede con la la versión dinámica de Qualcomm Halo. La tecnología WEVC utiliza la resonancia magnética para acoplar la energía desde una Unidad de Carga Base (Base Charging Unit - BCU) a una Unidad de Carga del Vehíuculo (Vehicle Charging Unit - VCU). La energía se transfiere desde al pad VCU por medio de acoplamiento magnético y se utiliza para cargar las baterías del coche. Las 10

comunicaciones entre el VCU y BCU aseguran un impacto mínimo en la red eléctrica. Las cargas se utilizarán para los siguientes tipos de vehículos: Vehículo Todo-Eléctrico: Es un vehículo que genera su tracción y es impulsado por un motor eléctrico, la corriente generado de la energía solar, nuclear o energía química. Las ventajas que tienen es que son silenciosos y la carga de la batería para un automóvil es de 3 horas en promedio (30 minutos hasta 8 horas, depende de la fuente) y son menos contaminantes que los autos normales, existe la posibilidad de desarrollar un

ambiente

más limpio. En promedio de mantenimiento de un vehículo eléctrico mucho menos de un coche gasolina, se reducen los problemas de mantenimiento de vehículos como el aceite o inspección por gases contaminantes o ajustes. Vehículo Híbrido Eléctrico: Un "vehículo híbrido" en los términos actuales, significa cualquier auto con una combinación de un motor eléctrico y otro de ignición a gasolina o diesel. Los principales componentes de un vehículo híbrido son un motor de encendido a gasolina más un motor que funciona con electricidad, un generador, un depósito de combustible, baterías y transmisión. Hay dos clases de motores para los autos híbridos: la primera es un Híbrido en Paralelo, el motor a gasolina y el motor eléctrico trabajan separadamente para desplazar al vehículo. La segunda variante de un híbrido es conocida como Híbrido en Serie, la gasolina o el diesel no mueven al vehículo si no al generador eléctrico que suministra energía a las baterías o al motor eléctrico que se conecta a la transmisión y es el que moviliza al automóvil.

4.2. REPRODUCTOR DE SONORO DE MÚSICA Y SEÑALES DE AUDIO Una aplicación mucho menos conocida de las bobinas Tesla es su uso como reproductor de sonoro de música y señales de audio, sin necesidad de emplear altavoces. Esta capacidad de reproducción sonora funciona bien para sonidos agudos, no funcionando para reproducir sonidos medios ni bajos, por lo que la bobina Tesla se puede emplear a modo de reproductor de audio equivalente a un altavoz de agudos o "tweeter". Dudell se dedicó a observar cuidadosamente este efecto en las descargas de arco e hizo numerosas pruebas, y llegó a la conclusión de que el zumbido no era inherente a la propia descarga del arco eléctrico, sino que era debido a la frecuencia de red de la corriente alterna que alimentaba el arco, y que si se producían fluctuaciones en la tensión de la red 11

eléctrica, también variaba la intensidad del zumbido eléctrico. También comprobó que si se realizaba un control riguroso de la frecuencia e intensidad que circulaba por el arco, el sonido que éste generaba variaba en amplitud y frecuencia, y si modulaba la corriente del arco con notas musicales individuales (generadas por un teclado conectado al sistema de alimentación del arco), éste literalmente "cantaba", reproduciendo las notas musicales.

Este efecto sonoro es reproducible con bobinas Tesla que sean controladas con osciladores cuya frecuencia de oscilación pueda ser modulada en amplitud por una señal sonora externa. El efecto sonoro se produce porque las descargas en el arco eléctrico, o las descargas de alta tensión en el toroide o extremo superior del secundario de la bobina Tesla, igual que ocurre con los rayos, produce un rápido calentamiento del aire que atraviesa la descarga, convirtiéndolo en plasma o gas fuertemente ionizado (de ahí el nombre de "tweeter de plasma"). Este fenómeno provoca la repentina expansión de la columna de aire que rodea la chispa, creando una onda de choque que es percibida por el oído humano como un sonido.

5. CONCLUSIÓN Con la realización de este trabajo se ha concluido que La bobina de tesla es un dispositivo 12

capaz de emitir descargas eléctricas que pueden llegar a medir varios metros y emitir luz por medio de la generación de pulsos de alta tensión para saber su función en sí y saber realizar los cálculos se necesitara dominar unidades curriculares tales como circuitos eléctricos, física, matemática y algebra. La bobina puede operar con niveles de potencia con picos muy altos, hasta muchos mega voltios (un millón de voltios). Debe por tanto ser ajustada y operada cuidadosamente, no sólo por eficiencia y economía, sino también por seguridad La bobina de Tesla es un dispositivo que utiliza el principio de resonancia, en este caso eléctrica, para la elevación en la frecuencia de una señal de voltaje mediante un transformador especial, que genera la emisión de un plasma en el aire circundante.

Bibliografía 

Chinellato, B. (14 de 12 de 2011). Taringa. Recuperado el 12 de 01 de 2017, de Taringa: http://www.taringa.net/posts/hazlo-tu-mismo/16175251/Hice-una-bobina-Tesla-y-te-lamuestro.html

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E, H. J. (1989). Analisis de circuitos electricos. EEUU: Ediciona.

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Escobar, E. (14 de 01 de 2004). Electricidad y Magnetismo.

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